近30年呼倫貝爾沙地植被變化時空特征分析

布 和, 烏蘭圖雅, 旭 沙, 其樂木格, 李雅琴

(內(nèi)蒙古師范大學 地理科學學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

植被作為全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是連接土壤、大氣和水分的自然紐帶,在陸地表面能量轉換、生物地球化學循環(huán)和水分循環(huán)等方面具有不可代替的作用[1-2]。草地植被是畜牧業(yè)發(fā)展的物質基礎,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)主要類型之一[3]。中國草地資源豐富,約占國土總面積的41.7%,其中內(nèi)蒙古自治區(qū)草地面積約79萬km2,占自治區(qū)總面積的66.7%,是內(nèi)蒙古自治區(qū)的主要植被類型[4]。近年來,由于受全球氣候變化等因素的影響,草地出現(xiàn)不同程度的沙化,對畜牧業(yè)發(fā)展有一定影響。

呼倫貝爾沙地位于呼倫貝爾草原腹地(47°20′～49°50′N,117°10′～121°12′E),東起大興安嶺西麓丘陵漫崗,西至呼倫湖和克魯倫河,南以蒙古國為界,北達海拉爾河北岸,由海拉爾河兩岸、伊敏河兩岸、新巴爾虎左旗中部三條沙帶和部分零星分布的沙丘組成[5],是我國自然條件最好的沙地,也是中國北方重要的生態(tài)屏障,生態(tài)位十分重要。目前,關于呼倫貝爾沙地的研究主要圍繞它的過程及成因[6]、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[7-8]、沙地土壤特性及植被特征[9-13]等方面展開,但呼倫貝爾沙地植被變化及其時空特征的研究鮮見。因此,準確反映沙地植被變化的客觀情況,正確理解沙地植被變化的驅動條件,對沙地植被的生態(tài)修復極為重要。本研究在呼倫貝爾沙地南部沙帶選擇研究區(qū),利用遙感數(shù)據(jù)與像元二分模型,系統(tǒng)分析了研究區(qū)沙地植被現(xiàn)狀及其變化趨勢,旨在探究沙地植被變化特點及其驅動條件,為沙地植被的生態(tài)保護及修復提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呼倫貝爾沙地的南部沙帶,地處新巴爾虎左旗中部,四個控制點的經(jīng)緯度分別為118°10′36.69″,48°20′26.82″(西北)、118°58′45.47″,48°25′43.53″(東北)、118°13′47.70″,48°07′26.17″(西南)、119°01′45.72″,48°12′41.09″(東南),總面積為1 471.6 km2(圖1),主要包括新巴爾虎左旗阿木古郎鎮(zhèn)和新寶力格蘇木的10個牧戶嘎查,均為放牧地。研究區(qū)內(nèi)主要地貌類型為固定、半固定沙丘,平均海拔700 m。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū),冬季寒冷漫長、夏季溫和短暫。根據(jù)新巴爾虎左旗1978-2019年氣象站點資料可知,該區(qū)多年平均氣溫為0.68 ℃,多年平均降水量280 mm左右,降水主要集中于7-8月,雨熱同期。地帶性植被為典型草原,代表性植物有羊草(Leymuschinensis)、寸苔草(Carexduriuscula)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、差不嘎蒿(Artemisiadesertorum)等。地帶性土壤為栗鈣土,但風沙土廣布。研究區(qū)內(nèi)小型湖泊較多,多為鹽湖。

圖1 研究區(qū)采樣點及示意圖Fig.1 The location map of study area and sampling point

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究從美國地質勘探局數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http://glovis.usgs.gov/)獲取1989年、2000年、2009年和2019年4期的Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)(表1),利用ENVI 5.3軟件對原始數(shù)據(jù)進行輻射定標、大氣校正、投影轉換和影像裁剪等預處理,通過ArcGIS 10.3軟件獲取研究區(qū)不同時期植被信息。

從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)獲取1989-2019年新巴爾虎左旗逐月降水量和月平均氣溫資料,計算得到研究區(qū)1989-2019年年均降水量和年均氣溫時序數(shù)據(jù)集。

表1 數(shù)據(jù)類型與來源Tab.1 Data types and sources

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數(shù) 歸一化植被指數(shù)(NDVI)是表示地表植物生長狀態(tài)以及植被空間分布密度指標因子,與植被空間分布密度呈線性關系[14]。反演后取值范圍為[-1,1],正值表示有植被覆蓋; 0表示無植被覆蓋,如巖石、沙漠地區(qū); 負值表示云和水域等[15],其公式如下:

(1)

其中Indv表示NDVI,N為近紅外波段(0.7～1.1 μm),R為紅光波段(0.4～0.7 μm)。在Landsat TM/OLI 影像中,為4、3波段及5、4波段。

2.2.2 像元二分模型 本研究采用李苗苗等[16]改進的像元二分模型進行植被覆蓋度估算,其公式如下:

(2)

其中:Fv c為植被覆蓋度(%);Isoil為全部裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;Iveg為全部植被覆蓋區(qū)域的NDVI值。因呼倫貝爾草原有連片的草地,所以植被覆蓋度最大可達95%以上,同時由于存在沙地和湖泊,最小植被覆蓋度可取為0。由于遙感圖像中不可避免地存在噪聲所引起的誤差,本研究根據(jù)圖像實際情況及Indv累計頻率表,選取累計頻率為5%和95%的NDVI值分別作為最小NDVI值和最大NDVI值。將對各地物的NDVI進行波段運算,確定Isoil和Iveg的數(shù)值。以此得到研究區(qū)4個時期的植被覆蓋度Fv c。

參照相關研究結果[17-18],將研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度劃分為5個等級,Ⅰ級為低覆蓋度(Fv c≤10%,也包括水域); Ⅱ級為中低覆蓋度(Fv c為10%～20%); Ⅲ級為中覆蓋度(Fv c為20%～40%); Ⅳ級為中高覆蓋度(Fv c為40%～60%); Ⅴ級為高覆蓋度(Fv c≥60%)。

圖2 植被覆蓋度估算結果與實測結果相關性分析Fig.2 Correlation between the estimation and measurement of vegetation coverage

(3)

2.2.4 精度驗證 本研究采用2019年8月在樣區(qū)采集的19個樣本數(shù)據(jù)對遙感估算數(shù)據(jù)進行精度驗證。結果表明,運用像元二分模型估算結果與實測數(shù)據(jù)之間有較高的正相關性(R2=0.644),說明像元二分模型在研究區(qū)內(nèi)具有一定的適用性(圖2)。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)2019年沙地植被現(xiàn)狀

根據(jù)植被覆蓋度計算結果和等級劃分標準,得到研究區(qū)2019年不同植被覆蓋度等級面積及其空間分布圖(圖3)。研究區(qū)沙地植被高覆蓋度和中高覆蓋度區(qū)面積分別為505.49 km2、462.21 km2,共占總面積的65.76%,說明研究區(qū)植被覆蓋狀況整體較好; 中覆蓋度、中低覆蓋度和低覆蓋度區(qū)面積為285.76 km2、93.40 km2、124.74 km2,分別占總面積的19.42%、6.35%和8.47%。

在空間分布上,高覆蓋度和中高覆蓋度主要分布于研究區(qū)北部和東部的沙帶邊緣以及外圍的沙質平原上; 低覆蓋度和中低覆蓋度相對集中于南部及西北部的沙帶上; 中覆蓋度主要分布于研究區(qū)西部的沙帶上?？傮w來看,研究區(qū)的植被覆蓋度呈“東高西低”的分布特征。

圖3 研究區(qū)2019年沙地植被覆蓋度等級劃分圖Fig.3 Vegetation coverage classification of sandy land in 2019

3.2 近30年研究區(qū)沙地植被變化數(shù)量特征

近30年研究區(qū)沙地不同植被覆蓋度等級變化面積及幅度如表2所示。1989-2000年植被低覆蓋度和高覆蓋度區(qū)面積在增加,其中,高覆蓋度增加幅度最大,為22.17%; 中低覆蓋度、中覆蓋度和中高覆蓋度區(qū)面積在減少,尤其中覆蓋度減少幅度最為突出,為18.06%。2000-2009年植被低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度和中高覆蓋度區(qū)面積均在增加。其中,中覆蓋度增加幅度最大,其次是中低覆蓋度,分別為71.05%和47.91%; 高覆蓋度區(qū)面積在減少,其減少幅度為55.17%。2009-2019年植被低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度和中高覆蓋度區(qū)面積均在減少,特別是中覆蓋度減少幅度最大,為45.34%; 高覆蓋度區(qū)面積在增加,其增加幅度為2009年的1.24倍。

總體來看,近30年研究區(qū)植被低覆蓋度、中低覆蓋度和中覆蓋度區(qū)面積在減少,其中,低覆蓋度減少幅度最小,中覆蓋度減少幅度最大,分別為0.18%和23.39%; 中高覆蓋度和高覆蓋度面積在增加,尤其高覆蓋度增加幅度最大,為22.75%。說明近30年研究區(qū)沙地植被退化趨勢得到控制,集中體現(xiàn)在中低覆蓋度和中覆蓋度植被面積減少。

表2 研究區(qū)近30年沙地不同植被覆蓋度等級變化面積及幅度

由公式(3)得到研究區(qū)4個時期的植被平均覆蓋度(表2)。從表2可知,近30年研究區(qū)平均植被覆蓋度呈“增加-減少-增加”的波動趨勢。1989-2000年平均植被覆蓋度由3.63增至3.75,2009年最低為3.36,2019年增加到3.77。近30年研究區(qū)平均植被覆蓋度變化趨勢不明顯。

3.3 近30年研究區(qū)植被覆蓋度變化空間特征

由表3和圖4、圖5可知,1989-2000年,植被覆蓋度未發(fā)生變化的區(qū)域占研究區(qū)總面積的53.17%,且多集中于東部?；謴蛥^(qū)面積為421.23 km2,占總面積的28.62%,主要分布于北部、西北部和西南部。其中,中覆蓋區(qū)轉化為中高覆蓋區(qū)、中高覆蓋區(qū)轉化為高覆蓋區(qū)的面積共占恢復面積的70.29%,表明該時期研究區(qū)植被整體上有所好轉。2000-2009年,植被覆蓋度未發(fā)生變化的區(qū)域占研究區(qū)總面積的44.11%,且相對集中于南部及東南部。退化區(qū)面積為635.65 km2,占總面積的43.19%,主要分布于北部、東北部以及西南部。其中,中高覆蓋區(qū)退化為中覆蓋區(qū)、高覆蓋區(qū)退化為中高覆蓋區(qū)的面積共占退化面積的80.93%,表明該時期研究區(qū)植被整體上有所退化。2009-2019年,植被覆蓋度未發(fā)生變化的區(qū)域占研究區(qū)總面積的46.99%,且多集中于東部?；謴蛥^(qū)面積為636.00 km2,占總面積的43.22%,主要分布于中部、西南部以及東北部。其中,中覆蓋區(qū)轉化為中高覆蓋區(qū)及高覆蓋區(qū)、中高覆蓋區(qū)轉化為高覆蓋區(qū)的面積共占恢復面積的81.67%,表明該時期研究區(qū)植被狀況為生態(tài)修復階段。

表3 研究區(qū)近30年沙地植被變化面積及比例Tab.3 Changing area and proportion of sandy land vegetation in the study area in the past 30 years

圖4 研究區(qū)近30年沙地不同植被覆蓋度等級轉化面積Fig.4 Conversion area of different vegetation coverage levels of sandy land in the study area in the past 30 years注: 沙地植被類型中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別指低覆蓋度、中低覆蓋度、中覆蓋度、中高覆蓋度、高覆蓋度; 加“-”指的是不同沙地植被覆蓋度之間的轉換,例如Ⅰ-Ⅱ指的是由低覆蓋度轉為中低覆蓋度。

總體來看,近30年植被覆蓋度未發(fā)生變化的區(qū)域占研究區(qū)總面積的53.45%,多集中于東部?；謴蛥^(qū)面積為430.87 km2、占總面積的29.28%,相對集中于西部。其中,58.82 km2的低覆蓋區(qū)轉化為高等級植被覆蓋區(qū),172.07 km2的中覆蓋區(qū)轉化為中高覆蓋區(qū)和高覆蓋區(qū),138.24 km2的中高覆蓋區(qū)轉化為高覆蓋區(qū),共占恢復面積的85.67%。近30年研究區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢表明區(qū)域自然生態(tài)環(huán)境趨于好轉。

圖5 研究區(qū)近30年沙地不同植被覆蓋度等級轉化面積空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of conversion area of different vegetation coverage levels of sandy land in the study area in the past 30 years

4 討論與結論

4.1 討論

沙地植被覆蓋的時空變化是多因素共同作用的結果[6,19-20]。胡新培等[13]研究發(fā)現(xiàn),降水是影響呼倫貝爾沙地植被覆蓋度變化的主要氣候因子,降水的上下波動直接影響著區(qū)域植被覆蓋。從新巴爾虎左旗年均降水量和年均氣溫變化來看(圖6),近20年研究區(qū)干旱頻繁發(fā)生,其中2000-2009年連續(xù)發(fā)生了干旱,該時期年均降水量僅為241.32 mm,較多年平均值低49.05 mm,相應時期研究區(qū)年均氣溫為1.16 ℃,高于多年平均值0.14 ℃,加重了研究區(qū)旱情程度,屬于干旱時期。相反1989-2000年和2009-2019年研究區(qū)年均降水量分別高于多年平均值21.15 mm和18.76 mm,年均氣溫分別低于多年平均值0.02 ℃和0.12 ℃,均屬濕潤時期。此外,研究發(fā)現(xiàn)近30年研究區(qū)植被覆蓋經(jīng)歷了“增加-減少-增加”的變化過程。其中,2000-2009年植被覆蓋度呈下降趨勢,正對應于研究區(qū)干旱時期,而1989-2000年和2009-2019年植被覆蓋度呈增加趨勢,對應于研究區(qū)濕潤時期。說明降水對研究區(qū)植被覆蓋度變化的影響顯著,該結果與毛烏素沙地和渾善達克沙地植被覆蓋度變化的影響因素研究結論基本一致[21-23]。

圖6 1989-2019年新巴爾虎左旗的年降水量和年均氣溫變化趨勢Fig.6 Annual precipitation and temperature trend of NewBarag Left Banner from 1989 to 2019

此外,研究期間頒布的有關草地保護政策法規(guī)較多、力度較大。特別是“退耕還林還草”政策,進一步促進了草場的保護和修復[24-28]。但政策、法規(guī)以及家畜頭數(shù)變化等因素對沙地植被的影響有待進一步深入研究。

4.2 結論

(1) 從2019年沙地植被現(xiàn)狀來看,研究區(qū)的植被覆蓋度呈“東高西低”的分布特征,其中高覆蓋度和中高覆蓋度主要分布于研究區(qū)北部和東部的沙帶邊緣以及外圍的沙質平原上,兩者共占總面積的65.76%。中覆蓋度主要分布于研究區(qū)西部的沙帶上,約占總面積的19.42%。低覆蓋度和中低覆蓋度相對集中于南部及西北部的沙帶上,分別占總面積的6.35%和8.47%。

(2) 近30年研究區(qū)植被低覆蓋度、中低覆蓋度和中覆蓋度區(qū)面積在減少,尤其中覆蓋度減少幅度最大,為23.39%,主要在2009-2019年減少; 中高覆蓋度和高覆蓋度區(qū)面積在增加,其中高覆蓋度增加幅度較大,為22.75%,主要在2009-2019年增加。研究期間平均植被覆蓋度呈“增加-減少-增加”的波動。

(3) 近30年研究區(qū)植被覆蓋度未發(fā)生變化區(qū)、恢復區(qū)和退化區(qū)面積分別占總面積的53.45%、29.28%和17.27%,恢復區(qū)面積遠大于退化區(qū),主要表現(xiàn)為58.82 km2的低覆蓋區(qū)轉化為高等級植被覆蓋區(qū),172.07 km2的中覆蓋區(qū)轉化為中高覆蓋區(qū)和高覆蓋區(qū),138.24 km2的中高覆蓋區(qū)轉化為高覆蓋區(qū),共占85.67%。植被恢復區(qū)主要分布于研究區(qū)西部。